Warum braucht ein Transformator Wechselspannung und wie hängt der Eingangsstrom mit der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom miteinander zusammen?
Hallo ich habe eine Projektarbeit zu bewätigen aber ich habe hier keine ahnung bei diesen fragen kann mir ein experte damit helfen vielen dank
7 Antworten
Hier noch Bilder und Details zum nachlesen, vertiefen und verwenden, was Dir bereits von anderer Stelle knapp erklärt wurde:
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/transformator
https://www.grund-wissen.de/elektronik/bauteile/transformator.html
Ich versuche mal den Transformator auf einfachste Weise zu erklären. Ein Transformator hat hauptsächlich die Aufgabe Spannungen zu transformieren. Er kann eine kleine Spannung in eine hohe oder eine hohe in eine kleine Spannung transformieren. Das heißt, mit einen Transformator kannst du aus 230V 1000V machen oder nur 12V das hängt ganz davon ab wie der Transformator aufgebaut ist.
Ein Transformator besteht im Grunde aus 2 Spulen auch Induktivitäten genannt. Was eine Spule so besonders macht, das man diese in der Fachwelt Induktivitäten nennt wird dir in Folge auch klar :) Eine Spule ist dabei nichts anderes als ein Stück draht von einen bestimmten Querschnitt und einer bestimmten Länge, die man einfach nur aufgewickelt hat. Zwischen den Windungen selbst ist die Spule dabei immer Isoliert. Es wirkt bei Transformatoren so als währe das ein blankes draht, tatsächlich ist da eine dünne Isolierschicht, sodass die Windungen untereinander kein Kontakt haben. Die Dünne Isolierschicht verringert dabei das Wickelfenster also wie groß die Wicklung am Ende wird. Das Ziel ist es nämlich möglichst viele Windungen in ein möglichst kleinen Raum zu bekommen.
Im Grunde reichen auch schon die 2 Spulen, doch so funktioniert der Trafo noch sehr schlecht, deshalb verwendet man einen Eisenkern, der Eisenkern ist also dafür Zuständig die Funktion des Transformators zu verbessern. Wie erkläre ich dir im Folge und ich werde dir auch erklären, warum es immer ein geblächter Eisenkern ist, den der Eisenkern ist kein massiver Eisenkern sondern wurde aus mehreren Blechen zusammen gepackt.
In der Natur gibt es Dinge, dessen Verhalten bestimmt sind und nicht mit sich Verhandeln lassen. Die Naturgesetze beschreiben wie die Welt wie sie funktioniert und damit beschäftigt sich die Physik. Ein Phänomen was IMMER eintritt ist, dass sich ein Magnetfeld aufbaut, sobald ein elektrischer Leiter von einen elektrischen Strom durchflossen wird.
Das heißt, wenn du ein Stück draht hast und durch diesen einen Strom fließen lässt, kannst du ein Magnetisches Feld messen. Weil dieses magnetische Feld des Leiters sehr klein ist, hat man sich gedacht das Kabel einfach aufzuwickeln. In Jeder Windung entsteht dabei ein magnetisches Feld die damit zu beginnen zu interferieren. Wenn 2 Wellen miteinander Interferieren, können sich die Wellen gegenseitig addieren, subtrahieren oder gar ganz auslöschen. In dem Fall addieren sich die Felder, weil die Frequenz gleich ist. Das heißt, das man am Ende ein großes Magnetfeld erhält. Das ist der Sinn einer Spule. Eine Spule verstärkt das magnetische Feld, welches entsteht, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt.
Ein weiteres Naturgesetz besagt nun, dass in jedem elektrisch Leitfähiges Material eine Spannung "induziert" wird, wenn dieser eine Magnetfeld ÄNDERUNG erfährt. Die Änderung ist also entscheidend. Wenn du ein Magnetfeld mit einer bestimmten Stärke aufbaust diesen dann aber nicht in seiner Stärke oder Polarität änderst, dann wird auch keine Spannung induziert, so will es einfach die Natur, das muss man so hinnehmen.
Bei einer konstanten Gleichspannung und einen konstanten Widerstand (Widerstand hängt davon ab wie gut ein Material den elektrischen Strom leitet.) fließt auch ein konstanter Strom. Da das Magnetfeld erst dann aufgebaut wird, wenn ein Strom durch den Leiter fließt, ist das Magnetfeld und dessen stärke und Polarität auch vom Strom abhängig. Der Strom gibt also vor, wie sich das Magnetfeld verhält. Wenn der Strom sich nicht ändert, dann ändert sich auch nicht das Magnetfeld und wenn sich das Magnetfeld nicht ändert, wird auch keine Spannung induziert, da der Leiter keine Magnetfeld ÄNDERUNG erfährt.
Für die Induktion einer Spannung gibt es selbstverständlich auch eine Formel, die genau das beschreibt:
Uind=N*delta phi/delta t
Das heißt die Spannung die induziert ist ist abhängig wie viele Windungen du hast also wie oft du dein Draht aufwickelst, der Änderung der Flussdichte des Magnetischen Feldes oder anders ausgedrückt, der Änderung der Stärke deines Magnetfeldes phi und der Änderung der Zeit t. Delta sieht aus wie ein Dreieck wenn man es in der Gleichung aufschreibt und sagt im Prinzip nur, dass die Physikalische Größe vor dem das Delta steht sich ändert.
Wenn du um 20 Uhr anfängst zu messen und um 20:01 Uhr die Änderung zu ende ist also sich das Magnetfeld nicht ändert währe die Zeit in der die Änderung stattgefunden eine Minute also 60s. Das ist dein Delta t in dem Fall deine Zeitänderung. Die Zeit während der Änderung des Magnetfeldes.
Rechnen wir das an einer Beispiel Aufgabe: Die Windungszahl beträgt eine Windung du hast also nur ein Leiter schleife. Diese Leiterschleife durchsetzt du am Anfang mit einem Magnetfeld von 10mWb. Die Flussdichte eines Magnetfeldes wird in Weber angegeben. Es sind also 10 milliweber oder auch 0,010 Weber.
Dieses Magnetfeld änderst du jetzt auf 20 mWb du hast also eine Änderung von 10mWb. Dein Delta phi beträgt also 10mWb. Das ganze passiert innerhalb von 1s
Setzen wir das in die Formel ein: Uind=1*10mWb/1s=0,010V=10mV
Du hast also 10Millivolt an Spannung in dein Stück draht mit dieser Magnetfeldänderung induziert. Dieses Gesetz nennt sich auch Induktionsgesetz.
Also mit einen Gleichstrom können wir keine Spannung induzieren, weil der Strom aufgrund der Spannung sich nicht ändert, solange der elektrische Widerstand sich nicht ändert I=U/R Ohmsches Gesetz. Es gibt also keine Magnetfeld ÄNDERUNG mit der eine Spannung hätte induziert werden können.
Was jedoch funktioniert ist eine pulsierende Gleichspannung. Eine pulsierende Gleichspannung verändert seinen Wert periodisch in seiner höhe in Form einer Sinushalbwelle, siehe Bild:
Aufgrund dessen, dass die Spannung in seiner Höhe sich verändert verändert sich auch damit der Strom in seiner höhe und damit auch das Magnetfeld und es kann eine Spannung induziert werden. Eine pulsierende Gleichspannung funktioniert also auch.
Eine Wechselspannung so wie wir sie aus einer gewöhnlichen Steckdose kennen verändert ihren Wert Sinusförmig UND ihre Polarität also + und - tauschen sich ständig aus und die Stromrichtung verändert sich periodisch. Siehe Bild:
So viel ist klar. Wenn wir von einer hohen Spannung auf eine kleinere Spannung wollen, müssen wir zunächst eine Spannung haben die sich verändert, damit wir einen Strom fließen lassen können, der sich verändert und ein Magnetfeld aufbauen können, der sich verändert. nun müssen wir mit dem Magnetfeld welches durch unsere Stromdurchflossenen Spule erzeugt wird eine Spannung in die 2. Spule induzieren.
Sobald ein Magnetfeld aufgebaut wird werden dessen Feldlinien frei im Raum verteilt. Das finden wir doof, denn wir wollen ja unsere 2. Spule mit diesen Feldlinien durchsetzen um eine Spannung in ihm zu induzieren. Nun kommt unser Eisenkern ins Spiel. Der Eisenkern bündelt die Feldlinien, sodass diese sich eben nicht frei im Raum verteilen.
In die 2. Spule auch "Sekundärwicklung" (Die 1. Spule heißt Primärwicklung) genannt wollen wir nun eine Spannung induzieren. Woher wissen wir nun wie groß die Spannung wird. Dazu schauen wir uns nochmal das Induktionsgesetz an und wir sehen, dass die höhe der Spannung von Der Windungszahl abhängig ist. Je mehr Windungen die Änderung erfahren, desto höher wird die Spannung in der gesamten Spule.
Da die Induktion von der Primärspule ausgeht, müssen wir das ganze doch irgendwie in ein Verhältnis packen und in der tat, das können wir, denn es gilt:
U2/U1=N2/N1
Das heißt die Spannung der Sekundär spule durch die Primärspule verhält sich gleich wie die Windungszahl der Sekundär Spule durch die Primärspule.
Nach U2 aufgestellt, würde die Formel lauten: U2=N2*U1/N1
Also Die Spannung die in die Sekundärwicklung induziert wird kann mit der Formel berechnet werden.
Angenommen wir haben eine Wechselspannung von 230V die wir an eine Primärwicklung von einen Transformator klemmen, die 460 Windungen hat. Die Sekundärwicklung beträgt 10. Setzen wir das ganze in die Formel ein: U2=N2*U1/N1=10*230/460=5V
Das heißt mit einen solchen Transformator erhalten wir bei 230V an der Primärseite 5V an der Sekundärseite.
Lass uns etwas näher mit der Wechselspannung beschäftigen. Bei der Wechselspannung gibt es so genannte effektiv Werte und Spitzen werte. der effektiv Wert einer Wechselspannung ist der Wert, der an einen Verbraucher auch bei einer Gleichspannung vorliegen würde. Fließt z.b. ein Wechselstrom durch eine Glühbirne, ist die effektivspannung die, bei der die Glühbirne die gleiche Wärmeentwicklung hat, wie bei der Gleichspannung. Die effektiv Spannung Ueff errechnet sich durch den Spitzenspannungswert U^ dividiert durch durch den Crest-Faktor. Bei einer Sinusförmigen Spannung wie der aus der Steckdose beträgt der Crest-Fakter Wurzel von 2.
Das heißt, dass wenn die Rede von 230V ist, hier nur von der effektiv Spannung gesprochen wird. Die Dachspannung ist um den Faktor Wurzel 2 größer also 230V*Wurzel von 2 das entspricht einer Spannung von c.a 325V Das gilt auch für die Sekundärspannung des Transformators, da sich U2 wie U1 verhält was seiner Frequenz und Polarität angeht. Bei unseren transformierten 5V sind es also nicht 5V sondern c.a 7V.
Das ist besonders für elektronische Halbleiterbauteile wichtig, da diese Bauteile wie Dioden, Transistoren, DIAC, TRIAC, Thyristoren, all diese Halbleiterbauelemente arbeiten mit diesen Spitzenspannungen und können von diesen auch Zerstört werden.
So viel zum idealen Transformator. Der Ideale Transformator so wie ich ihn hier beschreiben habe Zeichnet sich dadurch aus, dass es hier keine Verluste gibt. Einen solchen Transformator gibt es daher nur theoretisch. Es gibt bisher keinen realen Transformator, welcher keine Verluste hat.
Von Verlusten ist dann die Rede, wenn nicht 100%der Energie welche Vorne hineingesteckt wird hinten wieder herauskommt. Denn wir wissen ja, dass Energie nicht verloren gehen kann sondern lediglich nur umgewandelt wird in eine andere Energieform.
Das entsteht bei einen realen Transformator durch vielen verschiedenen Faktoren. Magnetfeldlinien, die sich nicht im Eisenkern schließen sondern in der Luft, Eisenverluste durch Wirbelströme die durch Ummagnetisierungsprozesse der Molekühle im Eisen Verursacht werden, Kupferverluste, die dadurch entstehen, dass ein Kupfer draht ein Widerstand hat und warm werden kann. Die Energie, damit ein Kupferdraht warm werden kann muss ja auch irgendwo herkommen.
Lass mich ein paar abschließende Worte über den Eisenkern sagen. Durch das Auf und Abbauen und das Umpolen des Magnetfeldes werden Molekühle im Eisen Polarisiert, das heißt der Nordpol wird zum Südpol ausgerichtet und der Südpol zum Nordpol. Wir haben also eine Spannung und wenn eine Spannung vorhanden ist, kann auch ein Strom fließen so kommt es dann zu diesen Berühmten Wirbelstörmen im Kern. Wen Nordpol und Südpol tauschen, tauscht auch im Eisen die Ausrichtung der Moleküle und der in ihm Induzierte Strom fließt hin und her der wirbelt da also so rum, daher auch die Bezeichnung Wirbelströme. Ohne jetzt zu tief ins Detail zu gehen aber um diese Wirbelströme zu vermiden verwendet man anstelle eines massiven Eisenkern einen geblächten Eisenkern also ein Eisenkern, der sich aus mehreren einzelnen Blechen zusammensetzt.
Der Wirkungsgrad sagt beim Transformator etwas darüber aus, wie gut dieser wirkt also wie gut er seine Aufgabe erfüllt. Je weniger Verluste der Transformator hat, desto mehr Leistung kann übersetzt werden. Um den Wirkungsgrad zu ermitteln schaut man sich an, welche Leistung in den Transformator hineingeht und dann schaut man darauf welche Leistung am Ausgang abgegeben wird. Die Zugeführte Leistung wird von der abgegebenen Leistung subtrahiert und die Differenz entspricht der Verlustleistung Pv.
Formel: Pv=Pzu-Pab.
Der Wirkungsgrad=Pab/Pzu. Beispiel 45Watt/50Watt=0,9 dieser Transformator hätte dann einen Wirkungsgrad von 0,9 bzw. 90% das heißt 90% der zugeführten Leistung kann an der Sekundärseite abgegriffen werden, die restlichen 10%sind Verluste.
Ein Transformator ist eine Spule, an die eine Spannung angelegt wird...Es baut sich ein Magnetfeld auf, welches bei Gleichspannung stabil bleiben würde - siehe große Elektromagneten an Kränen auf bspw. Schrottplätzen...
Bei Wechselspannung dreht sich die Polarität permanent um, wodurch das Magnetfeld ebenso auf- und wieder abgebaut wird.... Durch dieses Pulsieren des MF wird, in Abhängigkeit der Wicklungsanzahl, eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert, welche abgegriffen werden kann...
Der Transformator hat Primär -und Sekundärwicklung
In der Primärwicklung wird durch die angelegte Spannung ein Magnetfeld erzeugt
Dies wird über geblätterten Eisenkern zur Sekundärwicklung gebracht
Nun ist es in einer Spule so dass in dieser nur Strom generiert wird wenn sich das Magnetfeld ändert
Falls nun Gleichspannung an die Primärwicklung angelegt wird, ändert sich das Magnetfeld in der Sekundärwicklung nicht
Somit würde sekundär keine Spannung entstehen
Wird aber an die Primärwicklung Wechselspannung angelegt ändert sich auch in der Sekundärwicklung das Magnetfeld und somit entsteht sekundär auch Spannung
In einen Transformator verhält sich das Spannungsverhältnis Primär zu Sekundär wie die Windungszahlen
Die Ströme verhalten sich genau entgegengesetzt
Ein einfacher Transformator hat eine Primärspule, einen Eisenkern und eine Sekundärspule. Der in die Primärspule eingespeiste Strom erzeugt im Eisenkern ein Magnetfeld, welches in der Sekundärspule wieder einen Strom induziert.
Da nur ein wechseldes Magnetfeld wieder einen Strom induzieren kann, funktionieren Trafos nur mit Wechselstrom.
Die Spannung verhält sich proportional zur Windungszahl, d.h. wenn die Sekundärspule 10 mal mehr Windungen hat als die Primärspule, erhalten wir dort eine 10 mal höhere Spannung. Die Stromstärke verhält sich gerade umgekehrt, sie würde in diesem Fall 10 mal kleiner.